特集
1 1 まえがき 垂直磁気記録媒体の記録密度は日進月歩で向上している。 富士電機では，2.5 インチディスク一枚当たり 320 GB（記 録密度約 500 Gbits/in2）容量の製品を生産中である。今後 も，この高記録密度化をさらに進展させるためには，幾つ かの技術的な課題がある。中でも最大の課題は，記録ビッ トが微小化しても熱安定性が劣化しないようにすることで ある。熱安定性を表す指標として，KuV/kBT（Ku：磁気 異方性定数，V：体積，kB：ボルツマン定数，T：絶対温 度）がある。磁気記録媒体を設計するには，記録ビットの 微小化に伴う磁性粒子の体積 V の減少を Kuの増加で補償 する必要があるが，垂直磁気記録媒体の記録層材料とし て現在広く使用されている hcp〔六方最密充塡（じゅうて ん）〕構造を持つ Co-Pt 系磁性材料の Ku値の大きさには 限界がある。そのため今後の高密度化を実現するためには， 107erg/cm3台の極めて高い K uを持つ新規磁性材料を開発 する必要があるといわれている。 このような高い Kuを持つ磁性材料の代表的なものと し て，L10構 造 を 持 つ Co-Pt 二 元 合 金 が あ る。 ほ か に m-D019型と呼ばれる規則合金膜 ⑴〜⑶ やL11型 ⑷〜⑹ のCo-Pt 規則合 金膜が報告されている。図1に，これらの規則合金の構造 模式図を示す。 前述の m-D019型と L11型規則合金膜は，300 〜 400 ℃ の基板温度で形成できることが報告されている⑴〜⑹。これは， 高 Ku薄膜の一つである L10型 Fe-Pt 規則合金膜の一般的 な形成温度より 200 〜 300 ℃も低く，磁気記録媒体への適 用において製造プロセス温度を低く抑える上で非常に有利 な材料である。 ただし，これらm-D019型および L11型の規則構造はい ずれも準安定相であり，主な報告例は，MBE（Molecular Beam Epitaxy）法により，超高真空中で単結晶基板上に エピタキシャル成長したものであった。これらの準安定で ある規則合金の成膜に，量産には適用しにくい MBE 法で はなく，現在，磁気記録媒体の量産に使用されているス パッタリングプロセスが適用できれば，L10型 Fe-Pt 規則 合金膜と並ぶ高 Ku材料として有望である。 富士電機では，東北大学と共同で UHV（Ultra High Vacuum） ス パ ッ タ リ ン グ プ ロ セ ス に よ り， こ れ ら の m-D019型および L11型の準安定な規則合金膜を形成し， 3×107erg/cm3を超える K u値を得ることに成功している ⑺，⑻ 。 本稿では，特に L11型 Co-Pt 規則合金膜に関して得られ た薄膜の構造および磁気特性の概要を紹介した上で，実用 を見据えた第三元素での置換結果について紹介する。 2 構造と磁気特性 ₂.₁ L11型 Co50Pt50規則合金膜の構造 図₂に，スパッタ法によって MgO（111）基板およびガ新しい高密度記録技術
──高
K
u
磁性材料──
片岡 弘康 Hiroyasu Kataoka 小宮山 和弥 Kazuya Komiyama 高橋 伸幸 Nobuyuki Takahashi
New High Density Recording Technology: High K
uMagnetic Materials
高い磁気異方性定数 Kuを持った L11型 CoPt 規則合金膜のスパッタ法での合成に，東北大学と共同で初めて成功した。
本材料の Ku値は，最大で 3.6×107erg/cm3に達している。加えて，低い規則度から高い Kuを持つ点で，ほかの規則合金と
比較して優れている。また，Ni を添加した三元合金にすると，広い組成域で構造および高い Kuを維持したまま，飽和磁化
Msの制御が可能である。例えば，二元合金で，希少な Pt が 75 at% のとき得られる磁気特性が，三元合金では，同じ磁気
特性を得るのに，Pt 量を 25 at% まで削減することができる。
In collaboration with Tohoku University, Fuji Electric has realized the first successful synthesis of a L11 type CoPt ordered alloy film
hav-ing a high magnetic anisotropy constant Ku using sputter technique. The Ku value of this material reached a maximum value of 3.6×107erg/
cm3. Moreover, this material is superior to other ordered alloys even if the order is low and the K
u value is high. Also, a ternary alloy formed
by adding Ni to this material is capable of maintaining a crystalline structure and a high Ku value over a wide compositional range while
con-trolling the saturation magnetization Ms. For example, with a ternary alloy having the same magnetic characteristics as a binary alloy of rare
Pt at 75 at%, the amount of Pt can be decreased to 25 at%.
＜001＞ ＜001＞ ＜111＞ ：Co ：Pt 型 Co50Pt50 L11 型 Co75Pt25 D m− 019 L10型 Co50Pt50 図₁ m-D019型，L11型およびL10型の結晶構造
特集
1 ラスディスク上に Pt シード層を介して形成した Co50Pt50 規則合金膜の X 線回折パターンを示す。両者とも最密面 からの回折線のみが観察され，最密面が膜面に平行に配向 するL11型の利点が確保できている。さらに， L11型の規 則構造に起因した L11（111）面および L11（333）面の回 折線が観察されており，作成した薄膜が L11型の結晶構造 を持っていることが確認できた。 図₃に，MgO（111）基板上に Pt シード層を介して形成 したL11型 Co50Pt50規則合金膜の断面を電子顕微鏡によっ て観察した明視野像と同領域の電子線回折像を示す。下地 のPt 層から Co50Pt50膜まで原子面が連続的に成長してお り，回折像から単結晶膜となっていることが分かる。 ₂.₂ L11型 Co50Pt50規則合金膜の磁気特性 図 ₄に，L11型 Co50Pt50規 則 合 金 膜 お よ び m-D019型 Co80Pt20規則合金膜の Kuと規則度 S（規則構造の形成割 合）の関係をそれぞれ示す。図中には参考として L10型 Fe50Pt50規則合金膜の結果も示した。 L11型 Co50Pt50規 則 合 金 膜 の S 値 は L10型 Fe50Pt50規 則合金膜よりも小さいにもかかわらず，Ku値は L10型 Fe50Pt50規則合金膜と同程度の 107erg/cm3台を持ってい る。また，KuはS の増加に伴い急激に増加する傾向を示 し て お り，L11型 Co50Pt50規則合金膜が，L10型 Fe50Pt50 規則合金膜を超える大きな Kuを持つ可能性があることを 示唆している。S 値が 1 に近い理想的な L11型 Co50Pt50規 則合金膜が形成できれば，その Kuは非常に大きくなるこ とは理論的に予測されていて⑼，実験結果はこれを裏付けて いる。 以上の検討から L11型 Co50Pt50規則合金膜は，高密度化 に要求される高い Ku値を実現可能な有望な材料であるこ とが確認できた。 3 第三元素での置換による磁気特性制御 ₃.₁ L11型（Co1-XNiX）50Pt50規則合金膜 実際の磁気記録媒体への応用を見据えた場合，記録層の 構造として，磁気異方性が大きな層（ハード層）と小さな 層（ソフト層）を積層化させたスタック構造をとる場合 が多いと思われる。このとき，ハード層の飽和磁化 Msが 300 〜 700 emu/cm3の領域で，実用的な熱安定性が確保で きることが示されている⑽。そのため，L11型 Co-Pt 規則合 金膜を将来，ハード/ソフト・スタック構造のハード層と して用いることを考えると，L11型 Co50Pt50規則合金膜の Msは，約 1,000 emu/cm3である。これを300 〜 700 emu/ 20 40 60 80 100 120 相対強度（log scale） 2θ （degrees） MgO（111） P t（111） P t（222） ガラスディスク 型 CoP t（111） L 11 型 CoP t（222） L 11 型 CoP t（333） L 11 型 CoP t（444） L 11 図₂ MgO（111）基板およびガラスディスク基板上に Pt シー ド層を介して形成した Co50Pt50規則合金膜の X 線回折パ ターン Pt Pt 4 nm CoPt 図₃ L11型 Co50Pt50規則合金膜の断面を電子顕微鏡により観 察した明視野像と同領域の電子線回折像 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 30 40 50 型 Co50Pt50 （Tｓ=270∼390 ℃） L11 型 Co80Pt20 D m− 019 型 Fe50Pt50 （Tｓ=400∼700 ℃） L10 磁気異方性定数 u （ × 10 6 erg/cm 3） K 規則度 S （Tｓ=270∼390 ℃） 図₄ L11型 Co50Pt50規則合金膜および m-D019型 Co80Pt20 規則合金膜のKuとS の関係特集
1 cm3程度の実用レベルの値に制御するには，高い K u値を 維持しつつ Msを制御する手法を開発する必要がある。 本章では上記特性を実現するために，L11型 Co-Pt 規 則合金膜の Co の一部を Ni に置換した L11型（Co-Ni）-Pt 規則合金膜について解説する⑾。 基礎実験として，MgO（111）単結晶基板上に Pt シー ド層を成膜した後に（Co-Ni）-Pt 層を成膜し，保護層とし てPt を成膜した単結晶膜を形成した。（Co-Ni）-Pt 層の成 膜時の基板温度は，L11型 Co50Pt50規則合金膜の S と Ku が最大となる 360 ℃に固定した。 図₅に，Pt 組成を化学量論組成である 50 at% に固定 して，Co を Ni 量 X で置換していった場合の（Co1-XNiX） 50Pt50のX 線回折パターンを示す。L11型 Co50Pt50規則合 金膜と同様に，いずれの Ni 組成においても最密面からの 回折線だけが観察されることから，膜面平行に最密面が配 向していることが分かる。また，L11型 Co50Pt50規則合金 膜と同様に，2θ＝21°付近に L11型の規則構造を形成して いることを示す L11（111）面からの回折線が観察されて おり，L11型（Co-Ni）-Pt 規則合金膜が形成されているこ とが分かる。 図₆に は こ れ ら薄膜の MsとS をNi 量 X に対して示 した。Ni 量 X の増加に伴い Msは単調に減少しており， Ni50Pt50組成では，Msの値は 0 となっている。一方，S の 値は Ni 量 X によらずほぼ一定の 0.5 であった。 ₃.₂ L11型 Co-Ni-Pt 規則合金膜 ₃.₁節では，Co の一部を Ni に置換することによって Msの制御が可能であることを示した。しかしながら，Pt 量によっても Msの制御が可能であるため，Co，Ni，Pt の種種の組成域で薄膜を作製し，各種特性がどのように 変化するか検討を実施した。結果，Co 約 65 at% 以下の広 い領域で L11型規則合金が形成可能であることが分かっ た。図₇は，作成した薄膜の S を三元組成図上に示した ものである。三角形底辺のラインが L11型 Co-Pt 規則合 金の Pt 組成量依存を示すことになる。S の等値線を見る と，先ほど示した化学量論組成である（Co1-XNiX）50Pt50組 成（Co50Pt50の点から Ni50Pt50の点へ向かうライン）の近 傍で，規則度が最大を示していることが分かる。さらに， S の等値線が Pt 組成の等値線と平行になっていることか ら，S の値はほぼ Pt 組成により決定されていることが見 て取れる。Co 約 65 at% 以上では m-D019が形成され，図 中点線は L11とm-D019の相境界を表している。 図₈に，先に示した S と同様の形式で Msの値を示した ものである。MsはCo 組成の減少（Ni 組成の増加）に伴 い単調に減少しており，組成によって Msを制御可能であ ることが分かる。 図₉は，同様に Kuの値を示したものである。図中には 合わせて Msの等値線も示した。Kuの絶対値は S の場合 と同様に，（Co1-XNiX）50Pt50組成上において最大となる組 成がある。一方，化学量論組成からずれた領域では，Pt 組成が高いところより，低い組成の方が Kuの絶対値が緩 やかに減少していることが分かる。これは，S の結果と定 性的に一致した結果になっている。 表 1は，実用域の Msである約 500 〜 600 emu/cm3を実 現可能な L11型の Co-Pt 二元合金と Co-Ni-Pt 三元合金の 代表的な組成について示した。Msを約 600 emu/cm3とし た場合，二元合金の Kuは1.2×107erg/cm3に低下している。 一方，Ni で置換して Msを低下させた場合，1.8×107erg/ cm3程度の非常に高い K u値を維持していることが分かる。 また，Msを約 500 emu/cm3とした場合の磁気特性は，二 元合金，三元合金ともに同程度であるが，Pt 量を比較す ると，二元合金では 75 at% 必要であったのが三元合金で は25 at% となり，必要量が 1/3 に減少していることが分 かる。すなわち，Co-Ni-Pt 三元合金では，Pt 組成が少量 で，Co-Pt 二元合金と同等以上の磁気特性を実現可能であ ることが分かる。 20 40 60 80 100 120 相対強度（log scale） 2θ （degrees） P t（111） P t（222） （Co − Ni） − P t（111） L 11 （Co − Ni） − P t（222） L 11 （Co − Ni） − P t（ 444） L 11 （Co1− Ni ）50Pt50：10 nm （Co − Ni） − P t（333） L 11 =0 =0.2 =0.4 =0.6 =0.8 =1 X X X X X X X X 図₅ L11型（Co1-XNiX）50Pt50規則合金膜の X 線回折パターン 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 500 1,000 1,500 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 膜厚：10 nm 飽和磁化 s （emu/cm 3) M Ni 量 規則度 S S MS （Co1− XNi X）50Pt50 X 図₆ L11型（Co1-XNiX）50Pt50規則合金膜のMsとS特集
1 本章では，高い Ku値を維持しつつ Msをコントロール することができる，L11型 Co-Ni-Pt 規則合金膜について 述べた。Co-Ni-Pt 三元合金は，広い組成範囲で L11型規 則合金を形成し，希少な Pt 量を少なく抑えた組成で，L11 型 Co-Pt 規則合金と同等以上の磁気特性を実現させるこ とができる。このことは，本材料が，将来のハード/ソフ ト積層型媒体のハード層として有望であることを示してい る。 4 あとがき 現在の記録密度向上ペースが継続した場合，本材料が示 した107erg/cm3台の Kuを要求する磁気記録媒体は 2013 年ごろ量産となる見込みである。そのために今後もスピー ド感を持って諸課題の解決に邁進（まいしん）していく所 存である。 本研究は，東北大学電気通信研究所 21世紀情報通信研 究開発センター殿との共同研究結果である。 紙面をお借りし，日ごろより貴重なディスカッションを 賜っている同センター島津武仁准教授に深謝する。 なお，本研究の一部は，文部科学省“次世代 IT 基盤構 築のための研究開発”（高機能 ･ 超低消費電力スピンデバ イス･ ストレージ基盤技術の開発）の支援により行われた。 ここに謝意を表する。 参考文献⑴ G. R. Harp. et al. Magneto-Optical Kerr Spectroscopy of a New Chemically Ordered Alloy：Co3Pt. Physical Review
Letters. 1993, vol.71, p.2493.
⑵ 山田芳靖, 鈴木孝雄. 日本応用磁気学会誌. Co3Pt合金薄膜に
おける垂直磁気異方性の起源. 1999, vol.23, no.7, p.1855-1860. ⑶ M. Maret. et al. Enhanced perpendicular magnetic
anisot-ropy in chemically long-range ordered（0 0 0 1）CoxPt1－x films, Journal of magnetism and magnetic materials. 1999, vol.191, p.61-71.
⑷ Iwata, S. et al. Perpendicular Magnetic Anisotropy and Magneto-Optical Kerr Spectra of MBE-Grown PtCo Alloy Films. IEEE Transactions on Magnetics. 1997, vol.33, p.3670. ⑸ 山下哲ほか. 日本応用磁気学会誌. MBE 成膜したPtCo合金 膜の磁気異方性と磁気光学効果. 1997, vol.21, no.4_2, p.433 -0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Co 量（at％） Ni 量（at％） Pt 量（at％） 磁気異方性定数 u （×107 erg/cmK3） 1.7 0.9 1.1 0.2 0.7 3.7 2.7 1.82.32.11.7 0 0.9 1.8 2.5 2.7 3.2 3.5 1.2 2.3 3.1 1 2 3 400 600 800 1,000 s＝ M L11 0.8 0.9 図₉ L11型 Co-Ni-Pt 規則合金膜のKu 規則度 S L11 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.33 0.45 0.44 0.3 0.3 0.11 0.130.190.31 0.500.520.47 0.610.580.54 0.45 0.51 0.45 0.45 0.44 Co 量（at％） Ni 量（at％） Pt量（at％） 0.44 0.4 0.3 0.2 0.1 0.3 0.4 0.40 図₇ L11型 Co-Ni-Pt 規則合金膜のS 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Co 量（at％） Ni 量（at％） Pt 量（at％） 400 600 800 1,000 0 520 1,120 720 390 850 260 740 940 1,040 1,2401,2501,310 320 570 710 830 860 600 510 800 1,000 1,130 L11 飽和磁化 Ms（emu/cm3） 図₈ L11型 Co-Ni-Pt 規則合金膜のMs 表 ₁ L11型の Co-Pt 二元合金と Co-Ni-Pt 三元合金の代表的 な組成のMs，Ku，S 組成（at%） 飽和磁化M s （emu/cm3） 磁気異方性定数Ku （× 107erg/cm3） Ku/Ms （kOe） 規則度 S Co Ni Pt 50 0 50 940 3.7 39.4 0.5 30 0 70 600 1.2 20.0 0.19 25 0 75 500 0.7 14.0 0.13 20 30 50 570 1.8 31.6 0.45 15 60 25 520 0.8 15.4 0.3
特集
1436.
⑹ J. C. A. Huang. et al. Influence of crystal structure on the perpendicular magnetic anisotropy of an epitaxial CoPt al-loy, Journal of Applied Physics. 1999, vol.85, p.5977-5979. ⑺ Sato, H. et al. Fabrication of L11 type Co-Pt ordered alloy
films by sputter deposition, Journal of Physics. 2008, vol.103, no.07, 07E114-07E114-3.
⑻ 島津武仁ほか. 日本磁気学会誌まぐね. スパッタリング法 によるL11型Co-Pt規則化合金膜の作製とその磁気特性. 2008,
vol.3, no.6, p.271-276.
⑼ S. S. A. Bazee. et al. Ab Initio Theoretical Description of the Interrelation between Magnetocrystalline Anisotropy and Atomic Short-Range Order. Physical Review Letters. 1999, vol.82, p.5369.
⑽ 稲葉祐樹ほか. 日本応用磁気学会誌. 高飽和磁化の薄いソフ ト層を有するHard/Softスタック垂直媒体の磁気特性と記録 再生特性. 2007, vol.31, no.3, p.178-183.
⑾ Sato, H. et al. Fabrication of L11-type （Co-Ni）-Pt
or-dered alloy films by sputter deposition. Journal of Applied Physics. 2009, vol.105, 07B726-07B726-3. 片岡 弘康 磁気記録媒体の研究開発に従事。現在，富士電機 ホールディングス株式会社技術開発本部デバイス 技術開発センター次世代媒体開発部。日本磁気学 会会員。 小宮山 和弥 磁気記録媒体の研究開発に従事。現在，富士電機 ホールディングス株式会社技術開発本部デバイス 技術開発センター次世代媒体開発部。日本磁気学 会会員。 高橋 伸幸 磁気記録媒体の研究開発に従事。現在，富士電機 ホールディングス株式会社技術開発本部デバイス 技術研究センター次世代媒体開発部長。IEEE 会員。
